既有地鐵隧道上方基坑開挖特性研究

曹 前

(長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 410000)

1 概述

隨著我國城市經濟的飛速發展和日益惡化的交通狀況，地鐵建設成為各個大城市交通治堵的良策[1-3]。因為地鐵線路常穿過城市中心地帶，土地利用價值高。所以不可避免會遇到城市的地下空間開發選擇在既有地鐵車站旁或既有地鐵隧道上方。這種基坑的開挖卸載會使周邊土體發生內力重分布，造成旁邊的地鐵車站或下方的區間隧道結構產生相應的變形和應力，從而影響地鐵的正常運營和安全，需引起高度關注。

國內外已有部分學者對已建地鐵隧道上方進行基坑開挖的工程案例進行了分析研究。文獻[4]針對多倫多某已建地鐵隧道上方的基坑開挖案例進行了研究分析，并提出了基坑開挖過程中地鐵隧道的保護措施。劉國斌等[5]結合上海廣場基坑工程案例，探討了利用坑內加固以及基坑時空效應等措施來控制坑底之下隧道位移的有效性。吉茂杰等[6]通過監測數據提出了坑底隧道位移的預測方法。楊國祥等[7]結合上海東西通道工程3次上穿運營中地鐵2 號線基坑施工， 在現有技術基礎上研究了既有地鐵隧道上方基坑施工的新技術。魏鋼[8]對杭州地鐵1號線區間上方某通道基坑開挖的監測數據進行了分析。陳郁等[9]，李志高等[10]，王如路等[11]也根據基坑下臥隧道的變形監測結果提出了相應的工程措施。然而，目前已有的研究多是根據工程案例的監測結果提出定性的分析，缺少對整個開挖過程中隧道結構變形的數值模擬分析。

結合長沙軌道1號線隧道上方的某地下空間開發工程案例，通過Plaxis 3D有限元軟件對基坑開挖引起下方隧道結構變形以及管片內力進行了數值模擬分析。研究每一開挖工況下隧道結構的變形以及管片結構的內力，并據此提出了合理的分倉開挖寬度等施工措施，得到了一些有益的結論，對類似工程具有借鑒意義。

2 計算模型的建立

2.1 工程概況

本項目為長沙軌道1號線侯家塘站與田漢大劇院對接地下空間開發建設工程項目。項目用地位于侯家塘商圈，西側為1號線侯家塘站，車站和本項目距離約5 m，北側為田漢大劇院，南側為凱華大廈。項目地理位置如圖1所示。

圖1 項目地理位置示意

本地下空間開發項目位于勞動西路正下方，無上部結構。項目為地下二層結構，地下負二層層高4.5 m，負一層層高為4.5 m，局部層高3.6 m。基坑東西方向長度約為90 m，南北方向寬度約為35 m，深度為10.1 m。1號線區間隧道下穿本地下空間開發項目，地下空間結構底板與1號線隧道頂板的凈距離為6.3 m，考慮到底板以下0.2 m的墊層厚度及一定的施工誤差，則基坑底部與隧道頂凈距離為6 m。本基坑開挖時，區間隧道土建工程已經完成，正在計劃鋪軌及后續工作。地下空間結構與軌道1號線盾構隧道橫斷面關系見圖2。

圖2 地下空間結構與軌道1號線盾構隧道橫斷面關系(單位：mm)

本項目場地內的地層主要有人工填土層、第四系更新統河流相沖積層粉質黏土、粗砂、圓礫、卵石及殘積成因的粉質黏土，下伏基巖為白堊系上統的泥質粉砂巖。本項目基坑坑底位于卵石層。場地內粗砂、圓礫、卵石屬強透水性地層，人工填土屬弱～中等透水性地層，除此之外其他各地層均為弱透水性地層。本站地下水位埋深約1.5 m，坑底賦存承壓水。

根據勘察成果，場地巖土設計參數建議采用表1中數值。

根據現場條件提出了以下基坑設計方案，如圖3所示。

圍護結構在南、北和東三面采用800 mm厚地下連續墻，連續墻各幅之間采用工字鋼接頭，止水效果好，西側圍護墻采用鉆孔樁方案；基坑的支撐采用支錨設計，即預應力錨索結構和角部采用φ800 mm鋼管支撐；同時為了滿足基坑的抗突涌穩定要求，基坑四周的止水帷幕均應穿透強透水層(圓礫、卵石)，并進入全風化巖層不小于1 m。具體的基坑止水帷幕布置如下：基坑南北側800 mm厚的地連墻直接落底至巖層不小于1 m，而與隧道相交的東西側圍護墻不能直接落底止水，西側靠近侯家塘車站的鉆孔樁深度為坑底以下4 m，但是其止水是通過南北側連續墻延伸至侯家塘車站東側的連續墻，具體見圖4；而東側是通過懸掛式連續墻+隧道范圍內局部凍結法形成落底的止水帷幕：在隧道兩側1.5 m范圍內連續墻底在坑底以下4 m，即隧道頂部2 m處，而在其余范圍內的連續墻嵌入巖層不小于1 m，隧道兩側橫向1.5 m、深度從隧道頂以上2 m至弱透水的黏土層以下1 m的范圍內，采用凍結止水方案。具體見圖5。

表1 物理力學參數

圖3 基坑設計方案平面

圖4 基坑西側圍護結構布置(單位：mm)

圖5 基坑東側圍護結構布置(單位：mm)

綜上，基坑四周形成了封閉的落底止水帷幕，止水措施安全可靠性高，同時也確保了基坑的抗突涌穩定安全。

本項目基坑工程最主要的難點為基坑底與隧道頂凈距離僅6 m，在基坑設計施工中需采取措施在保證基坑安全的前提下，盡量減小隧道的隆起。

在確保基坑的安全性前提下，基坑開挖引起的坑底以下隧道隆起量主要取決于基坑開挖深度、基坑開挖暴露的隧道長度、基坑底與隧道的凈距離和地質條件等因素，對于本工程而言，基坑開挖深度、坑底與隧道的凈距離和地質條件相對確定，但是基坑開挖暴露的隧道長度可以通過分倉開挖來調整。理論上分倉寬度越小，開挖對隧道結構的影響也越小，但是分倉過多會影響工程的施工工期。本文后續根據數值計算來確定合理的分倉寬度。

2.2 變形控制標準

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB50911—2013)和《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)并參考其他城市對于軌道交通規劃、運營等方面的規定，對于已鋪軌地鐵隧道，城市軌道交通結構安全控制指標應符合以下標準。

(1)隧道結構豎向變形累計值小于10 mm。

(2)隧道結構變形曲率半徑大于15 000 m。

(3)結構裂縫寬度預警值：迎水面<0.1 mm，背水面<0.15 mm；結構裂縫寬度控制值：迎水面<0.2 mm，背水面<0.3 mm。

2.3 有限元建模

本次數值分析采用荷蘭大型通用巖土有限元計算軟件Plaxis 3D，土體采用硬化彈塑性模型(Hardening Soil模型)[12-15]。田漢大劇院地下空間開發項目基坑的鉆孔樁和地連墻，采用板單元進行模擬，鋼管支撐采用梁單元模擬，錨索采用點對點錨索單元模擬；在錨索與土體、隧道襯砌與土體之間設置Goodman接觸面單元并選取合理的虛擬厚度因子及強度折減因子來模擬錨索、盾構襯砌與土體之間的相互作用。田漢大劇院地下空間的結構采用板單元和梁單元來模擬。

地鐵盾構隧道外徑6 m，襯砌厚度0.3 m，施工考慮地層損失率根據當地施工經驗取為0.5%。基坑長約92 m，寬約36 m，開挖深度10.1 m，坑底與隧道頂距離6 m。

3 計算結果及分析

首先假定基坑開挖不分倉，此時基坑以及盾構區間的位移云圖如圖6所示，坑底的最大隆起量為44.1 mm。對應的區間隧道最大附加隆起量為15.1 mm。不滿足相關規范要求。

圖6 不分倉開挖方案下基坑以及盾構區間位移云圖

然后假定基坑開挖分倉寬度為16～20 m，基坑分倉開挖方案如圖7所示。通過有限元分析來驗證假定的分倉寬度是否合理。

圖7 分倉開挖方案(單位：m)

(1)第一步開挖

基坑圍護墻施工后，懸臂開挖至第一道錨索高程(地表以下1.8 m)，基坑以及盾構區間的位移云圖如圖8所示，最大值為4.07 mm，發生在基坑底。此時隧道豎向附加位移最大值1.37 mm，發生在基坑開挖暴露隧道段的中點處，由于兩側連續墻和凍結體對隧道有一定的約束作用，導致連續墻兩端以外的隧道出現微小的上翹幅度。

圖8 第一步開挖后基坑及盾構區間位移云圖

(2)第二步開挖

施工第一道支錨結構后，開挖至第二道錨索高程(地表以下4.8 m)，基坑及盾構區間的位移云圖如圖9所示，最大值為11.48 mm，發生在基坑底。其中，隧道豎向附加位移最大值4.14 mm，同樣發生在基坑開挖暴露隧道段的中點處，由于該階段開挖深度為4.8 m，且坑底到隧道的距離也相比上一步更小，因此隧道產生的附加豎向變形相對上一步更大。

圖9 第二步開挖后基坑及盾構區間位移云圖

(3)第三步開挖

施工第二道支錨結構后，開挖至第三道錨索高程(地表以下7.8 m)，基坑的位移云圖如圖10所示，最大值為12.81 mm，發生在基坑底。由于分倉保留了坑底以上5 m(即地表以下5.1 m)土體，留土對于基坑起到一個坑底反壓的作用，因此坑底隆起的最大值出現在開挖深度最大的兩個區段。

圖10 第三步開挖后基坑及盾構區間位移云圖

此階段，隧道豎向附加位移最大值5.52 mm，由于該階段開挖深度為7.8 m，且坑底到隧道的距離也相比上一步更小，因此隧道產生的附加豎向變形相對上一步更大，但是隧道隆起的位移形態不再是前兩個開挖步的中間大兩端小的形態，而是在基坑東西向中點處由于留土呈現出一個相對兩側開挖倉更小的波谷，隧道整體呈現出雙駝峰形態。

(4)第四步開挖

施工第三道支錨結構后，開挖至坑底高程(地表以下10.1 m)，基坑及盾構區間的位移云圖如圖11所示，最大值為13.79 mm，發生在基坑底。由于分倉保留了坑底以上5 m(即地表以下5.1 m)土體，留土對于基坑起到一個坑底反壓的作用，因此坑底隆起的最大值出現在開挖深度最大的兩個區段。

圖11 第四步開挖后基坑及盾構區間位移云圖

此時，隧道豎向附加位移最大值為7.14 mm，由于該階段開挖至基坑底，開挖深度為10.1 m，且坑底到隧道的距離是所有工況中最小的，因此隧道產生的附加豎向變形是整個施工過程中的控制性工況，同樣的，在基坑東西向中點處由于留土呈現出一個相對兩側開挖倉更小的波谷，盾構隧道整體呈現出雙駝峰形態。

(5)地下結構回筑階段

分倉開挖至坑底后，即回筑結構反壓，然后再分階段開挖留土的3個區段，逐步回筑結構直至覆土回填。該階段是繼開挖至坑底最不利工況后，地下結構和覆土回填反壓，從而導致地鐵區間隧道向上隆起量減少的過程，該階段是一個長期的、對隧道結構受力有利的過程。

回筑結構后，基坑及盾構區間位移云圖如圖12所示，最大值為11.47 mm，發生在基坑南北向長邊的圍護墻后，由于結構和覆土對坑底反壓的作用，因此坑底隆起的最大值有所降低。

圖12 地下結構回筑后基坑及盾構區間位移云圖

隧道豎向附加位移最大值為5.45 mm，由于該階段結構和覆土的反壓，因此隧道產生的附加豎向變形相比上階段有所降低，最大隆起值降低了23.7%。

田漢大劇院地下空間在基坑開挖至結構回筑全過程中，盾構隧道的變形如圖13所示。全過程中，基坑開挖引起的地鐵區間隧道的最大附加隆起量7.14 mm，對應于最小的變形曲率半徑為32 200 m，均滿足2.2節中的變形控制要求。同時，為了地鐵隧道的長期安全，尤其是田漢大劇院地下空間開發項目的地下結構回筑完成后，隧道的附加變形最大值會減小至5.45 mm，變形曲率半徑為41 500 m。

圖13 田漢大劇院地下空間施工過程中隧道的變形

另外，根據表2中管片結構內力驗算來看，盾構隧道管片的實際配筋在田漢大劇院地下空間開挖和結構回筑過程中均滿足規范要求，不需要采取額外措施。

表2 正常使用極限狀態下管片裂縫驗算

從上述的有限元分析中可以知道，前面假定的基坑分倉開挖寬度引起的盾構區間變形以及管片裂縫均滿足規范的相關要求，可以保證基坑開挖過程中下臥盾構區間隧道的安全。

4 結論

本文對長沙市田漢大劇院地下空間項目基坑工程進行了數值模擬，分析了田漢大劇院地下空間項目基坑的圍護設計方案及其對下臥軌道交通1號線地鐵區間隧道的影響，并給出了相應的施工措施建議。結論如下。

(1)開挖范圍內存在強透水層的基坑，基坑四面止水帷幕均需穿透強透水層。對于位于既有隧道上方的基坑，兩端止水帷幕無法連續落底，本基坑一端利用旁邊車站的止水帷幕，另一端采用懸掛式連續墻+凍結法止水帷幕，如此形成封閉的止水帷幕，確保了基坑的安全。

(2)對于位于既有隧道上方的基坑，減小基坑一次性開挖暴露的隧道長度對減小下臥隧道的隆起量至關重要。施工前需根據基坑開挖深度、基坑底與隧道的凈距離和地質條件等因素確定合理的分倉寬度。

(3)基坑下臥地鐵隧道的隆起變形最大值出現在基坑分倉開挖至坑底時，此時由于基坑留土隧道位移整體呈現出雙駝峰形態。此后的回筑階段，地鐵區間隧道隆起量逐漸減小，該階段是一個長期的、對隧道結構受力有利的過程。

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